专利名称：基于双dsp的自抗扰励磁控制系统及其工作方法
技术领域：
本发明属于电力系统发电机励磁控制技术领域。特别是一种集双DSP技术和自抗扰控制技术的励磁控制系统。
背景技术：
励磁控制系统是稳定电力系统的主要装置之一。随着控制理论的进步，相继出现了各种先进的控制规律。这对控制器的硬件提出了更高的要求。自抗扰技术是一种先进的控制策略，它的计算量比起目前的各种控制规律要大很多。可以说自抗扰控制器能否达到预定性能，决定于处理器能否在有限时间内完成大量的数据处理任务。这种要求高实时性、可靠性和大容量的计算任务对传统的单处理器控制构架是一个相当大的挑战。如果单纯采用高级芯片来提高处理器的速度，不仅提高了产品的成本而且不能解决软件越来越复杂的问题。
另一方面自抗扰控制技术中的扩张状态观测器要求一个输入信号周期内，扩张状态观测器的软件模块计算多次直到跟踪精度达到要求。对此，单处理器架构难以胜任。
发明内容本发明的目的在于提供一种基于双DSP的自抗扰励磁控制系统及其工作方法，它结合高性能的信号处理器和先进的自抗扰控制理论，采用双DSP架构，构造出一种新型的自抗扰励磁控制器。以获得快速、高精度、高鲁棒性控制效果，它利用自抗扰控制技术能够自动消除模型不精确和外界扰动造成的干扰，从而减少外部扰动对电力系统正常运行的影响，提高了发电机的动态性能，加强了电力系统运行的稳定性和可靠性。
本发明的技术方案一种基于双DSP的自抗扰励磁控制系统，其特征在于它是由数据采集模块、中央处理电路、功率输出电路；所说的数据采集电路的输入端连接外部电力系统的电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央处理电路的输入端；中央处理电路的输出连接功率输出电路；功率输出电路的输出连接发电机的励磁绕组。
上述所说的数据采集模块主要包括信号预处理电路、频率测量电路；所说的信号预处理电路包括开关量与模拟量的预处理电路，开关量预处理电路采用常规光电隔离电路，模拟量输入信号包括同步发电机励磁控系统的电压和电流两种基本信号，在输入A/D模块之前需进行预处理，构成信号的调理电路；其第一级运放为电压跟随器，提高输入阻抗，以增强带负载能力；第二级为二阶低通滤波电路，对输入信号进行滤波处理；第三级中的电阻网络调整电压到0-5V，构成差分输入方式，以满足模数转换器的输入要求；所说的频率测量电路是由电压互感器、电压比较器、光耦隔离器、直流电源、数字信号处理器的事件管理器及相关匹配元器件所构成，测频电路将机端电压信号经电压比较器整形成为方波，光耦隔离后接入数字信号处理器的事件管理器，由事件管理器完成频率的测量。
上述所说的中央处理电路由两片DSP芯片、一个双端口ROM、晶振电路构成；DSP1的READY引脚和双端口RAM的BUSYL引脚连接，R/W引脚与RAM的R/WL连接，数据线、地址线和RAM左侧对应的数据线、地址线连接；DSP2的READY引脚和双端口RAM的BUSYR引脚连接，R/W引脚与RAM的R/WR连接，数据线、地址线和RAM左侧对应的数据线、地址线连接；晶振电路通过一个功率放大电路向两个DSP芯片提供同步时钟信号。
上述所说的功率输出电路是由移相脉冲形成电路、脉冲变压器及IGBT整流电路所构成，移相脉冲形成电路通过DSP中事件管理器来实现，得到移相触发角度，脉冲变压器将得到的脉冲信号进行功率放大，经脉冲变压器放大后的信号输出IGBT整流电路中的IGBT，以控制相应IGBT的通断，从而控制励磁电流的大小。
一种基于双DSP的自抗扰励磁控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤(1)系统投入运行，发电机端的电压、电流、频率信号经互感器、数据采集模块的预处理电路转换为DSP可接受的较低幅值的相应信号；
(2)获得系统的实时数据DSP1执行自抗扰算法模块通过其A/D模块和事件管理模块将上述信号变为数字信号，通过计算得到功率、电压、频率、功角信号，并保存到双端口RAM中；(3)自抗扰算法的实现执行自抗扰算法模块，DSP1在整个励磁控制器的一个控制信号输出周期内循环计算，直到扩张状态观测器的输入信号和一阶输出信号间的误差小于设定值；扩张状态观测器运算完成后，DSP1将估计出的系统内外扰动值保存到双端口RAM中，并向DSP2发送一个计算完成信号；(4)控制信号的生成DSP2得到DSP1的计算完成信号后，从双端口RAM中读出功率、电压、频率、功角、扩张状态观测器的输出信号值，根据自抗扰励磁控制规律对其进行简单的加减运算得出控制信号，输出到功率输出电路；(5)励磁电流生成功率输出电路将控制信号放大，输出到IGBT整流电路产生励磁电流。
上述所说的步骤(2)与(3)中的自抗扰算法模块由以下流程组成(1)查询A/D转换器的状态，如果未完成则等待；如果转换已完成，则对采集到的信号进行数字滤波；(2)计算扩张状态观测器，如果所得到的误差小于设定值则完成运算进入下一步骤，如果未达到精度则循环计算；(3)查询RAM是否可写，如果不可写则等待，如果可写则向RAM写入电压、电流、频率和自抗扰扩张观测器的结果，向DSP2发送完成信号；(4)返回程序开始处，进行下一轮运算。
本发明的工作原理本系统主要是利用自抗扰技术和双DSP硬件对发电机的励磁电流进行控制。交流采样电路把系统电压互感器二次侧电压及电流二次测电流变换为较低幅值交流电压和电流，并测出频率。信号经多路选择开关及模/数转换器件变为数字量信号送入DSP1中，DSP1根据自抗扰算法计算出中间变量值，并将其送入双端口RAM。DSP2从双端口RAM中读出控制规律中各个变量值，计算出控制信号，并转化为PWM信号；DSP2同时兼有协调各个模块工组的任务。PWM信号经功率放大触发可关断器件，进而输出励磁电流。
本发明的优越性和技术效果在于该励磁控制控制系统依托先进的非线性自抗扰控制技术，利用高性能数字信号处理芯片实现发电机励磁的自抗扰控制规律。采用双DSP构架，计算和控制基本上可并行工作，具有较大的可靠性。整个系统可在很大程度上提高励磁控制的速度和精度，减少了由于普通单片机处理速度限制而引起的控制滞后，具有很好的调节性能。该励磁控制控制系统，可加强电网的稳定性和安全性，是一种具有很大市场前景的新一代发电机励磁控制装置。
附图1为本发明所涉“基于双DSP的自抗扰励磁控制系统及其工作方法”中的系统总体结构示意图。
附图2为本发明所涉“基于双DSP的自抗扰励磁控制系统及其工作方法”中的系统内数据采集模块示意图。
附图3为本发明所涉“基于双DSP的自抗扰励磁控制系统及其工作方法”中的系统内中央处理电路示意图。
附图4为本发明所涉“基于双DSP的自抗扰励磁控制系统及其工作方法”中的系统内功率输出模块示意图。
附图5为本发明所涉“基于双DSP的自抗扰励磁控制系统及其工作方法”中的工作方法有关“步骤(2)获得系统的实时数据与步骤(3)自抗扰算法的实现”的自抗扰算法模块的流程图。
具体实施例方式实施实例一种基于双DSP的自抗扰励磁控制系统及其工作方法(见图1)，其特征在于它是数据采集模块、中央处理电路、功率输出电路；所说的数据采集电路的输入端连接外部电力系统的电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央处理器的输入端；中央处理电路的输出功率输出电路。移相脉冲形成及功率输出电路的输出连接发电机的励磁绕组。
上述所说的数据采集模块(见图2)主要包括信号预处理电路、频率测量电路。上述所说的预处理电路包括开关量与模拟量的预处理电路，开关量预处理电路采用常规光电隔离电路，模拟量输入信号包括同步发电机励磁控系统的电压和电流两种基本信号，在输入A/D模块之前需进行预处理，构成信号的调理电路。其第一级运放为电压跟随器，提高输入阻抗，以增强带负载能力；第二级为二阶低通滤波电路，对输入信号进行滤波处理；第三级中的电阻网络调整电压到0-5V，构成差分输入方式，以满足模数转换器的输入要求。频率测量电路是由电压互感器、电压比较器、光耦隔离器、直流电源、数字信号处理器的事件管理器及相关匹配元器件所构成，测频电路将机端电压信号经电压比较器整形成为方波，光耦隔离后接入数字信号处理器的事件管理器，由事件管理器完成频率的测量。
上述所说的中央处理电路(见图3)由两片TMS320F2812，一个IDT70V24，晶振电路构成。DSP1的READY引脚和双端口RAM的BUSYL引脚连接，R/W引脚与RAM的R/WL连接，数据线、地址线和RAM左侧对应的数据线、地址线连接。DSP2的READY引脚和双端口RAM的BUSYR引脚连接，R/W引脚与RAM的R/WR连接，数据线、地址线和RAM左侧对应的数据线、地址线连接。晶振电路通过一个QS5991向两个DSP芯片提供同步时钟信号。
上述所说的功率输出电路(见图4)是由移相脉冲形成电路、脉冲变压器及IGBT整流电路所构成，移相脉冲形成电路通过DSP中事件管理器来实现，得到移相触发角度，脉冲变压器将得到的脉冲信号进行功率放大，经脉冲变压器放大后的信号输出IGBT整流电路中的IGBT，以控制相应IGBT的通断，从而控制励磁电流的大小。
一种基于双DSP的自抗扰励磁控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤(1)系统投入运行，发电机端的电压、电流、频率信号经互感器、数据采集模块的预处理电路转换为DSP可接受的较低幅值的相应信号；(2)获得系统的实时数据DSP1执行自抗扰算法模块采集数据；A\D采用查询工作方式，当转换结束后，对采集到的电压、电流、频率信号进行数字滤波；通过计算得到功率、电压、频率、功角信号，并保存到双端口RAM中；
(3)自抗扰算法的实现DSP1在整个励磁控制器的一个控制信号输出周期内循环计算，直到扩张状态观测器的输入信号和一阶输出信号间的误差小于设定值。扩张状态观测器运算完成后，DSP1将估计出的系统内外扰动值保存到双端口RAM中，并向DSP2发送一个计算完成信号；以上过程由自抗扰算法模块完成(见图5)；(4)控制信号的生成DSP2得到DSP1的计算完成信号后，从双端口RAM中读出功率、电压、频率、功角、扩张状态观测器的输出信号值。根据自抗扰励磁控制规律对其进行简单的加减运算得出控制信号，输出到功率输出电路；(5)励磁电流生成功率输出电路将控制信号放大，输出到IGBT整流电路产生励磁电流。
上述所说的步骤(2)与(3)中的自抗扰算法模块由以下流程组成(1)查询A/D转换器的状态，如果未完成则等待；如果转换已完成，则对采集到的信号进行数字滤波；(2)计算扩张状态观测器，如果所得到的误差小于设定值则完成运算进入下一步骤，如果未达到精度则循环计算；(3)查询RAM是否可写，如果不可写则等待，如果可写则向RAM写入电压、电流、频率和自抗扰扩张观测器的结果，向DSP2发送完成信号；(4)返回程序开始处，进行下一轮运算
权利要求
1.一种基于双DSP的自抗扰励磁控制系统，其特征在于它是由数据采集模块、中央处理电路、功率输出电路组成；所说的数据采集模块的输入端连接外部电力系统的电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央处理电路的输入端；中央处理电路的输出连接功率输出电路。功率输出电路的输出连接发电机的励磁绕组。
2.根据权利要求1所说的基于双DSP的自抗扰励磁控制系统，其特征在于所说的数据采集模块包括信号预处理电路、频率测量电路；信号预处理电路包括开关量与模拟量的预处理电路，开关量预处理电路采用常规光电隔离电路，模拟量输入信号包括同步发电机励磁控系统的电压和电流两种基本信号，在输入A/D模块之前需进行预处理，构成信号的调理电路；其第一级运放为电压跟随器，提高输入阻抗，以增强带负载能力；第二级为二阶低通滤波电路，对输入信号进行滤波处理；第三级中的电阻网络调整电压到0-5V，构成差分输入方式，以满足模数转换器的输入要求；频率测量电路是由电压互感器、电压比较器、光耦隔离器、直流电源、数字信号处理器的事件管理器及相关匹配元器件所构成，测频电路将机端电压信号经电压比较器整形成为方波，光耦隔离后接入数字信号处理器的事件管理器，由事件管理器完成频率的测量。
3.根据权利要求1所说的基于双DSP的自抗扰励磁控制系统，其特征在于所说的中央处理电路由两片DSP芯片，一个双端口ROM，晶振电路构成；DSP1的READY引脚和双端口RAM的BUSYL引脚连接，R/W引脚与RAM的R/WL连接，数据线、地址线和RAM左侧对应的数据线、地址线连接；DSP2的READY引脚和双端口RAM的BUSYR引脚连接，R/W引脚与RAM的R/WR连接，数据线、地址线和RAM左侧对应的数据线、地址线连接；晶振电路通过一个功率放大电路向两个DSP芯片提供同步时钟信号。
4.根据权利要求1所说的基于双DSP的自抗扰励磁控制系统，其特征在于所说的功率输出电路是由移相脉冲形成电路、脉冲变压器及IGBT整流电路所构成，移相脉冲形成电路通过DSP中事件管理器来实现，得到移相触发角度，脉冲变压器将得到的脉冲信号进行功率放大，经脉冲变压器放大后的信号输出IGBT整流电路中的IGBT，以控制相应IGBT的通断，从而控制励磁电流的大小。
5.一种基于双DSP的自抗扰励磁控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤(1)系统投入运行，发电机端的电压、电流、频率信号经互感器、数据采集模块的预处理电路转换为DSP可接受的较低幅值的相应信号；(2)获得系统的实时数据DSP1执行自抗扰算法模块采集数据；A\D采用查询工作方式，当转换结束后，对采集到的电压、电流、频率信号进行数字滤波；通过计算得到功率、电压、频率、功角信号，并保存到双端口RAM中。(3)自抗扰算法的实现DSP1在整个励磁控制器的一个控制信号输出周期内循环计算，直到扩张状态观测器的输入信号和一阶输出信号间的误差小于设定值。扩张状态观测器运算完成后，DSP1将估计出的系统内外扰动值保存到双端口RAM中，并向DSP2发送一个计算完成信号；以上过程由自抗扰算法模块完成；(4)控制信号的生成DSP2得到DSP1的计算完成信号后，从双端口RAM中读出功率、电压、频率、功角、扩张状态观测器的输出信号值。根据自抗扰励磁控制规律对其进行简单的加减运算得出控制信号，输出到功率输出电路；(5)励磁电流生成功率输出电路将控制信号放大，输出到IGBT整流电路产生励磁电流。
6.根据权利要求5所说的基于双DSP的自抗扰励磁控制系统的工作方法，其特征在于所说的步骤(2)与(3)中的自抗扰算法模块由以下流程组成(1)查询A/D转换器的状态，如果未完成则等待；如果转换已完成，则对采集到的信号进行数字滤波；(2)计算扩张状态观测器，如果所得到的误差小于设定值则完成运算进入下一步骤，如果未达到精度则循环计算；(3)查询RAM是否可写，如果不可写则等待，如果可写则向RAM写入电压、电流、频率和自抗扰扩张观测器的结果，向DSP2发送完成信号；(4)返回程序开始处，进行下一轮运算。
全文摘要
一种基于双DSP的自抗扰励磁控制系统主要由数据采集模块、中央处理电路(双DSP和双端口RAM)、功率输出电路三部分所组成；其优越性和技术效果在于该励磁控制控制系统依托先进的非线性自抗扰控制技术，利用高性能数字信号处理芯片实现发电机励磁的自抗扰控制规律。采用双DSP构架，计算和控制基本上可并行工作，具有较大的可靠性。整个系统可在很大程度上提励磁控制的速度和精度，减少了由于普通单片机处理速度限制而引起的控制滞后，具有很好的调节性能。该励磁控制控制系统，可加强电网的稳定性和安全性，是一种具有很大市场前景的新一代发电机励磁控制装置。
文档编号G01R23/00GK1945962SQ200610016348
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月26日 优先权日2006年10月26日
发明者马幼捷, 王新志, 周雪松, 李显冰, 张继东, 顾亚琴 申请人:天津理工大学